Entwicklung eines aktiven Magnetlagers mit hoher Betriebssicherheit

Abstract

Aktive Magnetlager (Active Magnetic Bearing, AMB) ermöglichen eine reibungs- und schmiermittelfreie Lagerung von Strukturen, z.B. von Rotoren. Die wichtigsten Vorteile dieser umweltfreundlichen Technologie sind die Wartungsfreiheit sowie die Möglichkeit einer Lagerparameteranpassung für verschiedene Betriebszustände. Der wesentlichste Nachteil dieser Technologie ist, dass bereits der Ausfall einer einzigen Baugruppe (digitaler Regler, Elektromagnet, Verstärker, Positionssensoren, Signalkonverter) zum Verlust der Lagertragfähigkeit führt. Die Gefahr eines nicht geplanten Maschinenstillstandes und die damit verbundenen Kosten sind Hauptursachen dafür, dass trotz der Vorteile dieser Technologie die breite industrielle Akzeptanz derzeit nicht gegeben ist. Aus der Fachliteratur bekannte Konzepte zur Erhöhung der Betriebssicherheit von aktiven Magnetlagern basieren im Wesentlichen auf einer mehr oder weniger vollständigen Redundanz und einer globalen Fehlererkennung. Diese Konzepte haben folgende wesentliche Nachteile:<br />Höhere Kosten, höheres Gewicht und größerer Platzbedarf trotz Restrisiko eines Fehlentscheids oder Ausfalls der globalen Fehlererkennung oder einer Fehlfunktion aufgrund von Defekten in der Einkopplung funktionierender oder der Abkopplung defekter Baugruppen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Konzept für eine möglichst hohe Betriebssicherheit unter Beachtung ökonomischer Aspekte entwickelt, gebaut und getestet. Die wichtigsten erreichten Ziele sind:<br />* Kosten-, Platz- und Gewichtsersparnis durch modulare Redundanz nur der, aus industriellen Anwendungen heraus, bekanntermaßen ausfallkritischen Schaltverstärker, * automatisches, dezentrales Erkennen einer Modul-Fehlfunktion ("lokaler Voter"), * automatisches und zuverlässigesWegschalten eines defekten Moduls, * Austauschmöglichkeit defekter Module während des Betriebes (Hot-Swap), * hohe Störsicherheit und Signalqualität durch räumliche und galvanische Trennung der Regelung von Bereichen elektromagnetischer Störfelder sowie einer hoch integrierten, voll digitalisierten Ansteuerung.<br />Der in Modultechnik ausgeführte Schaltverstärker wurde zunächst als Simulationsmodell nachgebildet. Mit Hilfe dieses Modells wurden die Auswirkungen von Störfällen im Hinblick auf eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Funktion untersucht. Messergebnisse mit dieser neuen, in einem Magnetlagerversuchsstand integrierten Technologie bestätigen, dass trotz händisch eingebrachter schwerwiegender Bauteilfehler, die bei Verwendung eines konventionellen Schaltverstärkers mit Sicherheit zu einem Totalausfall des Magnetlagers führen würden, keine Beeinträchtigung der Lagerfunktion auftritt. Auch der Tausch eines redundanten Moduls während des Betriebs zeigt keine Auswirkung auf das Lagerverhalten. Eine vergleichende Analyse der Ausfallwahrscheinlichkeiten vom neuen Schaltverstärkerkonzept mit einer industriellen Standardausführung ergab eine bis zu 21-fache Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Active magnetic bearings (AMB) allow a lubricant and friction free support of structures, e.g. rotors. Important advantages of this ecologically friendly technology are that there is no systematical requirement for maintenance as well as the possibility to adjust bearing parameters to various operating conditions. The most significant drawback of AMB-technology is that even a single failure within one sub-assembly (digital controller, magnetic actuator, amplifier, position sensors and signal converters) causes a break down of the bearing load capacity. The risk of an unintentional machine standstill combined with the resulting costs is one major reason that the broad industrial acceptance of active magnetic bearings is quite low at the time.<br />Known concepts from the literature for increasing the reliability of active magnetic bearings are mainly based on a more or less multiple redundancy and a global error detection ("global voter"). These concepts show some significant drawbacks: Higher costs, higher weight and higher space requirements in spite of the remaining risk of a failure due to a defective "global voter" or a malfunctioning coupling of working subassemblies or decoupling of defect ones.<br />Within this PhD-thesis an alternative concept considering economical aspects has been developed, built and tested to increase the overall reliability of active magnetic bearings. The main goals, which have been achieved, are:<br />* Reduced costs, weight and space requirements due to a modular redundancy only for the switching amplifiers, which usually are the most endangered components in industrial applications, * automatic and decentralized recognition of a module failure by a so-called "local voter", * automatic and reliable decoupling of a defect module, * replacement of defect modules during operation (hot-swap), * high noise immunity and signal quality by a spatial and electrical isolation of the controller from electromagnetic stray fields combined with a highly integrated and fully digitized actuator control.<br />First, a detailed simulation model of the module-based switching amplifier has been developed. With this simulation model effects of component failures have been analyzed with regard to a reliable and uninterruptible control of the magnetic actuator. Measurements of an AMB test rig equipped with this new technology show no reduction in bearing load capacity despite of manually induced component errors. These errors would cause a complete break down of the bearing, if conventional switching amplifiers were used. Also the hot-swap procedure of a redundant module has no influence on the bearing load capacity. A reliability analysis of the switching amplifier shows, that using this new concept the reliability could be increased by a factor of up to 21.